自1960年第一臺(tái)激光器問世以來(lái)，激光的研究及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測(cè)量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、信息存儲(chǔ)及通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光的高方向性和高亮度可廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以及相應(yīng)工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近20年來(lái)，激光制造技術(shù)已滲入到諸多高新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工業(yè)。
為適應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿足微觀制造的需要，研究和開發(fā)高性能激光源勢(shì)在必行。作為激光加工的一個(gè)分支，激光微加工在過去十年被廣泛關(guān)注。其中原因之一是由于更加有效的激光源不斷涌現(xiàn)。比如具有非常高峰值功率和超短脈沖固體激光，有很高光束質(zhì)量的二極泵浦的Nd:YAG激光器等。另外一個(gè)原因是有了更為精確、高速的數(shù)控操作平臺(tái)。但一個(gè)更為重要的原因是不斷涌現(xiàn)的工業(yè)需求。在微電子加工中，半導(dǎo)體層的穿孔、寄存器的剪切和電路修復(fù)都用到激光微加工技術(shù)。激光微加工一般所指加工尺寸在幾個(gè)到幾百微米的工藝過程。激光脈沖的寬度在飛秒（fs）到納秒（ns）之間。激光波長(zhǎng)從遠(yuǎn)紅外到X射線的很寬波段范圍。目前主要應(yīng)用于微電子、微機(jī)械和微光學(xué)加工三大領(lǐng)域。隨著激光微加工技術(shù)的發(fā)展和成熟，將在更廣的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。
二、激光微加工技術(shù)的主要應(yīng)用
隨著電子產(chǎn)品朝著便攜式、小型化的方向發(fā)展，單位體積信息的提高（高密度）和單位時(shí)間處理速度的提高（高速化）對(duì)微電子封裝技術(shù)提出不斷增長(zhǎng)的新需求。例如現(xiàn)代手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)每平方厘米安裝大約為1200條互連線。提高芯片封裝水平的關(guān)鍵之處就是在不同層面的線路之間保留微型過孔的存在，這樣通過微型過孔不僅提供了表面安裝器件與下面信號(hào)面板之間的高速連接，而且有效地減小了封裝面積。
另一方面，隨著近年來(lái)全球手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品向輕、薄、短、小的趨勢(shì)發(fā)展，印制線路板（PCB）逐步呈現(xiàn)出以高密度互連技術(shù)為主體的積層化、多功能化特征。為了有效地保證各層間的電氣連接以及外部器件的固定，過孔（via）已成為多層PCB的重要組成部分之一。目前鉆孔的費(fèi)用通常占PCB制板費(fèi)用的30%-40%。在高速、高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者總是希望過孔越小越好，這樣板上不僅可以留有更多的布線空間。而且過孔越小，越適合用于高速電路。傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔最小的尺寸僅為100μm，這顯然已不能滿足要求，代而取之的是一種新型的激光微型過孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工業(yè)上可獲得過孔直徑達(dá)到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm 左右的小孔。
激光微加工技術(shù)在設(shè)備制造業(yè)、汽車以及航空精密制造業(yè)和各種微細(xì)加工業(yè)中可用激光進(jìn)行切割、鉆孔、雕刻、劃線、熱滲透、焊接等，如20多微米大小的噴墨打印機(jī)的噴墨口的加工。利用諸如微壓型、打磨拋光等激光表面處理技術(shù)來(lái)加工多種微型光學(xué)元件，也可通過諸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化來(lái)改變組織結(jié)構(gòu)，然后，通過調(diào)和外部機(jī)械力，再在軟化階段依靠等離子體輔助進(jìn)行微成形來(lái)加工微光學(xué)元件。
三、超短脈沖激光在微加工技術(shù)的最新進(jìn)展
CO2激光和YAG激光是連續(xù)和長(zhǎng)脈沖激光，主要靠聚焦形成高能量密度，從而在局部產(chǎn)生高溫來(lái)燒蝕材料，基本上屬于熱加工范疇，加工精度有限。準(zhǔn)分子激光則依靠其短波長(zhǎng)(紫外)與材料進(jìn)行光化學(xué)相互作用，其特征尺度可達(dá)到微米量級(jí)，但準(zhǔn)分子激光器所需的氣體是腐蝕性的，難以操控，而且，高強(qiáng)紫外激光對(duì)加工系統(tǒng)的光學(xué)元件容易造成損傷，其應(yīng)用因而受到限制。隨著對(duì)激光領(lǐng)域的深入研究，激光脈沖的時(shí)域?qū)挾缺粔嚎s得越來(lái)越短，從納秒(10-9s)量級(jí)到了皮秒(10-12s)量級(jí)直至飛秒(10-l5s)量級(jí)。
飛秒脈沖激光具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)脈沖持續(xù)時(shí)間短。飛秒脈沖的持續(xù)時(shí)間可以短至幾個(gè)飛秒，而光在1fs內(nèi)僅僅傳播0.3μm，比大多數(shù)細(xì)胞的直徑還要短；(2)峰值功率極高。飛秒激光將脈沖能量集中在幾個(gè)至幾百個(gè)飛秒的極短時(shí)間內(nèi)，因此其峰值功率很高。例如，將lμJ的能量集中在幾個(gè)飛秒時(shí)間內(nèi)并會(huì)聚成10μm的光斑，其光功率密度可達(dá)到1018W／cm2，將其換算成電場(chǎng)強(qiáng)度則為2×1012V/m，為氫原子中庫(kù)侖場(chǎng)強(qiáng)(5×1011V／m)的4倍，這就有可能將電子從原子中直接剝離出來(lái)。
從激光與透明材料的相互作用機(jī)理來(lái)看，脈沖寬度從連續(xù)激光到幾十皮秒，損傷機(jī)制為雪崩電離過程，依賴與初始的電子密度，而材料中的初始電子密度由于材料中雜質(zhì)分布的不均勻而變化很大。因此，損傷閾值變化也很大。對(duì)長(zhǎng)脈沖激光損傷閾值定義為可引起損傷幾率為50％的激光能流密度，即長(zhǎng)脈沖激光損傷閾值是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值。超短脈沖激光的場(chǎng)強(qiáng)極高，束縛電子可以同時(shí)吸收n個(gè)光子直接從束縛能級(jí)躍遷到自由能級(jí)。超短脈沖激光引起的損傷雖然也是雪崩電離過程，但其電子由多光子電離過程產(chǎn)生，不再依賴于材料中的初始電子密度，因此，損傷閾值是精確值。脈沖激光的損傷閾值是隨脈沖寬度下降而明顯減小，到了皮秒量級(jí)，下降速率變緩，到飛秒量級(jí)時(shí)已基本不變。
另外，由于超短脈沖激光的損傷閾值很精確，因此將激光的能量控制在正好等于或略高于損傷閾值，則只有高于損傷閾值的部分產(chǎn)生燒蝕，可進(jìn)行低于衍射極限的亞微米加工。飛秒激光可產(chǎn)生超高光強(qiáng)、具有精確且較低的損傷閾值，很小的熱影響區(qū)、幾乎可精密加工所有種類材料，并且，加工精度極高，可進(jìn)行亞微米尺寸的精密加工。
激光微加工生產(chǎn)效率高，成本低，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。飛秒激光以其獨(dú)特的脈沖持續(xù)時(shí)間短、峰值功率高等優(yōu)越性能正在打破以往傳統(tǒng)的激光加工方法，開創(chuàng)了材料超精細(xì)、無(wú)熱損傷和3D空間加工和處理的新領(lǐng)域。飛秒激光加工技術(shù)應(yīng)用包括微電子學(xué)、光子晶體器件、高信息傳輸速度（1Tbit/s）的光纖通訊器件、微機(jī)械加工、新型三維光存儲(chǔ)器、以及微細(xì)醫(yī)療器件制作和細(xì)胞生物工程技術(shù)等方面具有廣泛應(yīng)用前景。可以預(yù)言，激光微制造技術(shù)必將以其無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)成為21世紀(jì)迅速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)。
